PL230010B1 - Sposób prowadzenia osmotycznej destylacji membranowej z zatężaniem roztworu osmotycznego oraz układ do osmotycznej destylacji membranowej z zatężaniem roztworu osmotycznego - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób prowadzenia osmotycznej destylacji membranowej z zatężaniem roztworu osmotycznego metodą odparowania naturalnego z powierzchni wypełnienia strukturalnego oraz układ do osmotycznej destylacji membranowej. Proces osmotycznej destylacji membranowej (OMD) nie wymaga ogrzewania przepływającego wzdłuż powierzchni membrany roztworu zatężanego, a siłę napędową transportu masy uzyskuje się przepuszczając po drugiej stronie membrany stężone roztwory soli, jak NaCl lub CaCl2 (patenty USA 6569341 i USA 5824223). Lotne składniki roztworu zatężanego, jak woda, odparowują przez porowatą membranę i są pochłaniane w roztworze soli (roztwór osmotyczny). Wskutek pochłaniania wody następuje rozcieńczanie roztworu osmotycznego, co powoduje systematyczne zmniejszanie siły napędowej OMD. Jej utrzymanie wymusza wprowadzenie dodatkowego procesu, to jest zatężania roztworu soli. Do tego celu z reguły proponuje się zastosować termiczne zatężanie roztworu osmotycznego w wyparkach, jak w patencie USA 5824223. W efekcie, kompleksowo rozważany proces OMD wymaga dostarczenia znacznych ilości ciepła, które jest zużywane do odparowania wody podczas regeneracji roztworu osmotycznego. Ponadto, zawracany z instalacji wyparnej zatężony roztwór osmotyczny przed wpłynięciem do instalacji OMD musi być schłodzony w wymiennikach ciepła, przynajmniej do temperatury roztworu zatężanego, co powoduje dodatkowe straty energii. Kolejnym problemem jest fakt, że wskutek przemian fazowych (to jest odparowania roztworu zatężanego i skraplania pary w roztworze osmotycznym) temperatura roztworu zatężanego zmniejsza się, a osmotycznego rośnie. Prowadzi to do niekorzystnych zmian wartości prężności pary nad tymi roztworami, co powoduje dodatkową redukcję siły napędowej procesu OMD. Powyższe wady ograniczono lub wyeliminowano realizując sposób i układ przedstawiony w patencie PL 208051. W tym rozwiązaniu bliskie nasyceniu stężenie soli w roztworze osmotycznym uzyskano odparowując wodę z solanki w sposób naturalny z powierzchni złoża (pierścienie Białeckiego) zraszanego solanką wypływającą z instalacji OMD. Z regenerowanej solanki spływającej po powierzchni wypełnienia może odparować nadmierna ilość wody, co spowoduje powstanie stanów przesycenia i w efekcie sól będzie krystalizować wewnątrz instalacji membranowej. Zapobiega się temu stosując sposób przedstawiony w wynalazku.

Sposób prowadzenia osmotycznej destylacji membranowej z zatężaniem roztworu osmotycznego metodą odparowania naturalnego z powierzchni wypełnienia strukturalnego, charakteryzuje się tym, że przy wilgotności względnej powietrza poniżej 40% dobiera się powierzchnię wypełnienia tak, że uzyskuje się systematyczny wzrost stężenia soli, zatężając ją aż do stanu przesycenia, które następnie rozładowuje się prowadząc wewnątrz wypełnienia krystalizację heterogeniczną soli, którą inicjuje się na powierzchni siatek, które to siatki montuje się w poprzek wypełnienia. Stosuje się siatki poliamidowe o rozmiarach oczek 100 mikrometrów. Jako wypełnienie stosuje się wypełnienie strukturalne wykonane z pierścieni Białeckiego. Siatki montuje się pod co drugą warstwą wypełnienia strukturalnego lub przynajmniej pod pierwszą od góry i nad ostatnią od dołu warstwą wypełnienia. Jeżeli wypełnienie strukturalne wykonane jest z pierścieni Białeckiego to siatki montuje się w postaci pasków, z przerwami nad środkami pierścieni Białeckiego. Od momentu pojawienia się osadów solnych wewnątrz wypełnienia, utrzymuje się stały poziom cieczy w zbiorniku roztworu osmotycznego, uzupełniając wodą powstały ubytek objętości.

Układ do osmotycznej destylacji membranowej z zatężaniem roztworu osmotycznego metodą odparowania naturalnego, zawierający moduł OMD, zbiorniki, pompę, wypełnienie strukturalne, charakteryzuje się tym, że ma w strukturze wypełnienia strukturalnego, pomiędzy jego warstwami zamontowane siatki. Siatki wykonane są z poliamidu o rozmiarach oczek 100 mikrometrów i zamontowane są pod co drugą warstwą wypełnienia strukturalnego lub przynajmniej pod pierwszą od góry i nad ostatnią od dołu warstwą wypełnienia. Korzystnie wypełnienie strukturalne wykonane jest z pierścieni Białeckiego.

Rozwiązanie według wynalazku rozładowuje stany przesycenia w solance, zanim dotrze ona do powierzchni filtra siatkowego, tym samym eliminuje powstawanie kryształów soli na filtrze siatkowym oraz wewnątrz instalacji membranowej.

Sposób według wynalazku objaśniono w przykładach wykonania, przy czym pierwszy przykład jest przykładem porównawczym, i na rysunkach, na którym fig. 1 przedstawia schematycznie układ do prowadzenia osmotycznej destylacji membranowej z regeneracją solanki, a fig. 2 przedstawia sposób montażu siatek.

PL 230 010 Β1

Przykład 1

Do badań użyto instalację składającą się z ustawionego pionowo kapilarnego modułu membranowego 1, do którego podłączono dwa obiegi wodne (roztworu zatężanego i osmotycznego) każdy składający się z pompy wirowej oraz zbiornika. Zbiornik 2 roztworu zatężanego miał objętość 5 dm³ oraz układ pomiarowy (biureta) pozwalający zmierzyć występujące w nim ubytki cieczy z dokładnością do 0,5 ml. Polipropylenowy zbiornik 9 roztworu osmotycznego miał wysokość 28 cm, szerokość równą 27 cm oraz długość 40 cm. Przed wylotem ze zbiornika, przy jego dnie zamontowano cylindryczny filtr siatkowy 10 o rozmiarach oczek 100 mikrometrów, o powierzchni siatek 50 cm². Temperatury cieczy w instalacji mierzono termometrem elektronicznym, z dokładnością do 0,1 °C. Natężenie przepływu mierzono zamontowanymi w instalacji rotametrami. Moduł kapilarny 1 OMD wykonano z membran polipropylenowych Accurel PP V8/2 HF (Membrana, Niemcy). Porowatość całkowita membran wynosiła około 73%, średni rozmiar porów 0,2 μπι, a grubość ścianki 1500 μίτι. Średnica zewnętrzna kapilar wynosiła 8,6 mm. W obudowie rurowej modułu 1, o średnicy 25 mm, zamontowano 4 membrany o długość 67 cm. Membrany kapilarne przełożono przez oczka 4 siatek mieszających, które rozmieszczono, w odstępach 15 cm, wzdłuż obudowy modułu. Strumienie przepływały przez moduł współprądowo (od dołu ku górze), roztwór osmotyczny na zewnątrz kapilar. Natężenie przepływu strumieni, w przeliczeniu na 1 m² zamontowanych membran, wynosiło 0,82 kg/s m² (roztwór zatężany) i 1,65 kg/s m² (roztwór osmotyczny).

W pierwszym doświadczeniu zbiornik roztworu osmotycznego na starcie pomiarów zwierał 6 dm³ stężonej solanki (roztwor NaCI - POCh, czda). Roztworem zatężanym (nadawą) był roztwór 50 NaCI/dm³ (POCh, czda + woda destylowana). Do pomiaru stężenia jonów w badanych roztworach zastosowano chromatograf jonowy IC 850 Professional firmy Metrohm (Szwajcaria).

W trakcie badań przebiegu procesu OMD instalacja doświadczalna pracowała w sposób ciągły. Cała instalacja umieszczona była w oszklonej komorze o objętości 2,8 m³. Do pomiaru wilgotności powietrza w komorze zastosowano meteorologiczny higrometr TZ 18. Instalacja OMD pracowała nieprzerwanie przez tydzień. Temperatura powietrza wokół instalacji wynosiła 24-28°C, a wilgotność zmieniała się w zakresie 26-38% wilgotności względnej. Wewnątrz zbiornika 9 umieszczono wieżę ustawioną z 22 polipropylenowych pierścieni Białeckiego 7 (średnica 80 mm). Pierścienie w kolejnych warstwach ustawiano tak, że zarys ścianki pierścienia górnego przechodził nad środkami dolnych trzech pierścieni sąsiadujących ze sobą. Wylot rury odprowadzającej solankę z modułu OMD do zbiornika 9 umieszczono nad środkiem pierścienia postawionego na szczycie wieży, uzyskując podział strumienia cieczy na kilkanaście oddzielnych strug, które spływając w dół równomiernie zraszały całą powierzchnię wypełnienia 7. Rozproszony po ściankach pierścieni roztwór osmotyczny spływał do zbiornika 9 jednocześnie odparowując do otoczenia. Obliczona powierzchnia odparowania wynosiła około 0,22 m². Uzyskane wyniki OMD z odparowaniem solanki z powierzchni pierścieni Białeckiego zamieszczono w Tabeli 1. Wydajność procesu (N) obliczono jako ilość dm³ wody odparowującą z powierzchni 1 m² membran w ciągu godziny (dm³/m²h).

Tabela 1

dzień	T solanka [°C]	Τ' nadawa rc]	T 1 powietrza [°C]	Wilgotność [%]	N [dm3/m2h]	Cs [g NaCI/dm3]
1	27,1	26,0	25,8	26	0,206	269,2
2	26,8	26,0	25,8	26	0,216	273,1
3	24,8	27,5	25,5	28	0,229	298,2
4	24,0	24,2	24,5	38	0,235	309,2
5	25,2	25,1	25,5	29	0,274	317,1
6	27,1	26,0	25,8	27	0,282	317,2
7	26,8	26,0	25,8	27	0,282	317,2

Po tygodniu pracy na powierzchni pierścieni tworzących wieżę wypełnienia pojawiły się liczne białe osady wykrystalizowanej soli, jednak powierzchnia filtra zanurzonego w spływającej z wieży solance była czysta. Ciśnienie tłoczenia solanki przez cały okres pracy mieściło się w zakresie 0,036-0,04 MPa.

PL 230 010 Β1

W drugim doświadczeniu do przygotowania roztworu osmotycznego zastosowano handlową sól kamienną z kopalni Soli Kłodawa. Oznaczony skład początkowy roztworu osmotycznego był następujący: 190,86g/l Cl^-, 119,83g/l Na⁺, 1,16g/l SO₄ ², 736,46 mg/l Ca²⁺, 19,19 mg/l Br^- oraz 14,4 mg/l NOs.

Po 20 h pracy instalacji przepływ solanki praktycznie ustał, ciśnienie tłoczenia wynosiło 0,005 MPa, a powodem tego była krystalizacja soli na powierzchni filtra zamontowanego na wlocie do pompy solanki. Na powierzchni pierścieni Białeckiego obecności kryształów soli nie stwierdzono. Oznaczony skład roztworu osmotycznego był następujący: 195,82 g/l Cl', 122,60 g/l Na⁺, 1,15g/l SO4²', 671,24 mg/l Ca²⁺, 18,7 mg/l Br, 191,4 mg/l K⁺ oraz 16,4 mg/l NO3’. Te wyniki oraz wyniki badania składu osadu zebranego z powierzchni filtra (metodą chromatografii IC) wykazały, że na powierzchni filtra krystalizowała mieszanina soli NaCl i CaSO4.

Mechaniczne oczyszczenie filtra z osadu przywróciło normalną pracę pompy, a ciśnienie tłoczenia powróciło do wartości 0,036 MPa.

Przykład 2

Zastosowano instalację i parametry jak w przykładzie 1, z tym, że pomiędzy warstwy pierścieni Białeckiego 7_włożono siatkę poliamidową 8 o rozmiarach oczek 100 mikrometrów. Siatkę włożono pod pierwszą i trzecią warstwę pierścieni, zaczynając od góry wieży. Powierzchnia pierwszej siatki zakrywała cały przekrój poprzeczny znajdującej się pod nią warstwy pierścieni. Drugą warstwę siatki zmontowano z dwóch pasków siatki, zgodnie z Fig. 2. Pomiędzy paskami była przerwa, która przebiegała nad środkiem pierścieni Białeckiego 7 zamontowanych w warstwie pod tą siatką. Podobnie, zewnętrzne krawędzie pasków siatek nie zakrywały środków znajdujących się pod nimi pierścieni Białeckiego.

Po 5 h procesu powierzchnia filtra siatkowego 10 była czysta. Podobnie po kolejnych 20 h procesu nie stwierdzono krystalizacji soli na powierzchni filtra, a instalacja OMD pracowała poprawnie. Natomiast pewne ilości soli wykrystalizowały na powierzchniach siatek zamontowanych wewnątrz wieży z pierścieni. Ilość ta wizualnie zwiększyła się podczas kolejnych 3 dni prawidłowej pracy instalacji OMD. Osady soli pokryły także część powierzchni bocznej pierścieni Białeckiego. Stwierdzono postępujący ubytek poziomu solanki. Część soli wykrystalizowała 4 dnia pomiarów również na powierzchni filtra W i w efekcie ciśnienie tłoczenia zmniejszyło się z 0,036 do 0,02 MPa.

W pobliży filtra do solanki wlano około 0,5 dm³ wody destylowanej, co przywróciło początkowy poziom roztworu osmotycznego oraz jednocześnie spowodowało rozpuszczenie osadów z powierzchni filtra siatkowego i w efekcie wzrost ciśnienia tłoczenia do 0,036 MPa. Pomimo dolania wody powierzchnia pierścieni Białeckiego 7 i zamontowanych siatek, nadal pokryta była warstwą wykrystalizowanej soli. Przez kolejne dni badań utrzymywano stały poziom solanki w zbiorniku 9, a ubytek poziomu roztworu osmotycznego uzupełniono wodą destylowaną. W efekcie instalacja pracowała przez kolejne dni bez problemów, przy stałej wartości ciśnienia tłoczenia. Przeprowadzona analiza stężenia próbki solanki pobranej po kilkunastu minutach od dolania wody nie wykazała istotnych zmian stężenia poszczególnych jonów, czyli część krystalicznego osadu uległa rozpuszczeniu wyrównując stężenie. Zmiany wydajności procesu podczas pomiarów podstawiono w tabeli 2.

Tabela 2

dzień	T solanka [°C]	Tnadawa [°C]	Tpo wietrzą [°C]	Ciśnienie (leczenia [MPa]	N [dmWh]	Uwagi
1	27,1	26,0	25,8	0,036	0,212	Brak kryształów soli
2	26,8	26,0	25,8	0,036	0,205	Kryształy na siatkach
3	24,8	27,5	25,5	0,030	0,197	Dużo kryształów
4	24,0	24,2	24,5	0,020	0,165	Filtr zanieczyszczony, dolanie wody
5	25,2	25,1	25,5	0,036	0,216	Filtr czysty
6	27,1	26,0	25,8	0,036	0,221	Filtr czysty

PL 230 010 B1

Claims (10)

1. Sposób prowadzenia osmotycznej destylacji membranowej z zatężaniem roztworu osmotycznego metodą odparowania naturalnego z powierzchni wypełnienia strukturalnego, znamienny tym, że przy wilgotności względnej powietrza poniżej 40% dobiera się powierzchnię wypełnienia tak, że uzyskuje się systematyczny wzrost stężenia soli, zatężając ją aż do stanu przesycenia, które następnie rozładowuje się prowadząc wewnątrz wypełnienia krystalizację heterogeniczną soli, którą inicjuje się na powierzchni siatek, które to siatki montuje się w poprzek wypełnienia.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się siatki poliamidowe o rozmiarach oczek 100 mikrometrów.

3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że jako wypełnienie stosuje się wypełnienie strukturalne wykonane z pierścieni Białeckiego.

4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że siatki montuje się pod co drugą warstwą wypełnienia strukturalnego lub przynajmniej pod pierwszą od góry i nad ostatnią od dołu warstwą wypełnienia.

5. Sposób według zastrz. 3, znamienny tym, że siatki montuje się w postaci pasków, z przerwami nad środkami pierścieni Białeckiego.

6. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że od momentu pojawienia się osadów solnych wewnątrz wypełnienia utrzymuje się stały poziom cieczy w zbiorniku roztworu osmotycznego, uzupełniając wodą powstały ubytek objętości.

7. Układ do osmotycznej destylacji membranowej z zatężaniem roztworu osmotycznego metodą odparowania naturalnego, zawierający moduł OMD, zbiorniki, pompę, wypełnienie strukturalne, znamienny tym, że ma w strukturze wypełnienia strukturalnego (7), pomiędzy jego warstwami zamontowane siatki (8).

8. Układ według zastrz. 6, znamienny tym, że siatki (8) wykonane są z poliamidu o rozmiarach oczek 100 mikrometrów.

9. Układ według zastrz. 6, znamienny tym, że siatki (8) zamontowane są pod co drugą warstwą wypełnienia strukturalnego (7) lub przynajmniej pod pierwszą od góry i nad ostatnią od dołu warstwą wypełnienia.

10. Układ według zastrz. 6, znamienny tym, że wypełnienie strukturalne wykonane jest z pierścieni Białeckiego.